线程安全的无锁RingBuffer

  RingBuffer是环形缓冲区，支持读和写两种操作，类似于循环队列。在实现上，一般用数组存储数据，同时设置双指针head和tail，head指向队首，tail指向队尾。读数据时，head++；写数据时，tail++。显然，RingBuffer不是线程安全的，需要对读写数据进行同步。然而，有一种特殊情况：一个线程读，一个线程写，在这种情况下可以实现线程安全的无锁RingBuffer，代码如下：

public class RingBuffer<T> {
    private volatile T[] elements;
    private volatile int head;
    private volatile int tail;

    public RingBuffer(int capacity){
        this.elements=(T[])new Object[capacity];
        this.head=0;
        this.tail=-1;
    }

    private boolean isEmpty(){
        return tail+1==head;
    }

    private boolean isFull(){
        return tail+1-elements.length==head;
    }

    public void push(T element) throws IllegalArgumentException{
        if(isFull())
            throw new IllegalArgumentException("full queue");
        elements[(tail+1)%elements.length]=element;
        tail++;
    }

    public T pop() throws IllegalArgumentException{
        if(isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("empty queue");
        T element=elements[head%elements.length];
        head++;
        return element;
    }
}

  为什么上述代码能够确保线程安全？可以看到，创建RingBuffer后，只有写线程修改tail，只有读线程修改head，并且始终只有一个读线程，一个写线程，因此是没有并发写操作的。然而，由于读操作和写操作都不是原子性的，有可能读操作发生在写操作的过程中，写操作发生在读操作的过程中。这样会导致以下两个问题：

• 对于读操作，当RingBuffer为空时，有可能读到还没写的数据。
• 对于写操作，当RingBuffer为满时，有可能写到还没读的数据。

但是，对于写操作，我们是先修改elements，再修改tail；对于读操作，我们是先修改elements，再修改head。因此上述两个问题是不存在的，我们说上述RingBuffer是线程安全的，并且是无锁的，具有较高的性能。